一種測量光學腔線寬的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種測量光學腔線寬的裝置和方法，裝置包括：光學腔、單頻激光器、單頻可調(diào)諧激光器、光電探測器、頻譜分析儀。采用上述裝置，測量光學腔線寬的方法包括步驟：將單頻可調(diào)諧激光器與單頻激光器的輸出光在第一光學分束器上耦合；用第二光學分束器將合束光分為兩束，一束導入光學腔，另一束導入光電探測器；調(diào)節(jié)合束光與光學腔模式匹配；將光學腔的輸出光輸入光電探測器中；改變單頻可調(diào)諧激光器的波長，用頻譜分析儀記錄一組頻率和對應的拍頻信號的噪聲功率；根據(jù)公式擬合得到光學腔的線寬。該方法裝置簡單、操作方便、結(jié)果精確，具有很好的實用價值。
【專利說明】一種測量光學腔線寬的裝置和方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學腔參數(shù)測量，具體屬于一種測量光學腔線寬的裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光學腔的本質(zhì)是一個光學低通濾波器。線寬是表征光學腔的一個重要參數(shù)，它表明了光學腔(低通濾波器)截止頻率的大小。光學腔線寬的定義為在頻域內(nèi)測量光譜強度，峰值一半處對應的兩個頻率相減的值。
[0003]在激光【技術(shù)領域】，激光線寬由光學腔的品質(zhì)因數(shù)決定，腔的品質(zhì)因數(shù)越高，光學腔的線寬越窄，激光器的線寬就越窄。當前，窄線寬激光器由于具有相干長度長和頻率確定性高等優(yōu)點，在光學測量、雷達、全息成像、冷原子、光鐘、DNA檢測等領域有重要的應用價值。根據(jù)激光器光學腔的線寬可以推斷激光器輸出激光線寬，對窄線寬激光器研究工作具有重要意義。
[0004]在量子光學領域，為了降低光源的高頻噪聲，一般采用在光路中插入模清潔器(一種光學腔)的方法，而模清潔器的線寬決定了過濾高頻噪聲的頻率下限。因而精確測量模清潔器的線寬對獲得高性能壓縮和糾纏光具有重要意義。另外，目前為止，利用光學參量過程是獲得壓縮光和糾纏光的最有效手段。在利用光學參量過程產(chǎn)生壓縮光和糾纏光的裝置中，光學參量腔的線寬決定了產(chǎn)生的壓縮光和糾纏光的最大帶寬，因此測量光學參量腔的線寬也是非常必要的。根據(jù)光學腔的線寬也可以得出光學腔的損耗，可以為減小損耗和改進光學腔性能提供重要參考。同時，可以根據(jù)損耗得到理論上壓縮度和糾纏度的大小，為實驗上壓縮光和糾纏光的產(chǎn)生提供理論參考。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，線寬一般通過掃描光學腔的腔長，根據(jù)透射光學腔透射峰半高寬度占一個自由光譜范圍的比例決定，自由光譜范圍根據(jù)光學腔的腔長和折射率參數(shù)計算得到。
[0006]對于駐波腔，自由光譜范圍的表達式如下:
[0007]自由光譜范圍=c/2nL ( I )
[0008]對于環(huán)形腔，光在腔內(nèi)單向傳播，自由光譜范圍的表達式如下:
[0009]自由光譜范圍=c/nL ( II )
[0010]公式(I )和(II )中，c為真空中的光速，η為光學腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，L為光學腔的腔長。因此，自由光譜范圍的計算以光學腔腔長和腔內(nèi)介質(zhì)折射率兩個參數(shù)已知為前提。腔長L是一個容易測量的量，而介質(zhì)的折射率η隨材料的不同和周圍溫度，氣流等均有變化，不易得到精確結(jié)果，從而影響自由光譜范圍的計算結(jié)果，最后會影響線寬的計算結(jié)果O
[0011]另外，根據(jù)上述方法計算線寬是以光學腔上壓電陶瓷的伸長隨驅(qū)動電壓為線性關(guān)系為前提的，而實際壓電陶瓷受材料的限制都不是線性的。因而，使線寬計算結(jié)果不準確。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0012]本發(fā)明的目的是提供一種精確測量光學腔線寬的裝置和方法。通過該裝置和方法可以測量得到頻率和噪聲功率的對應關(guān)系，然后利用公式擬合得到光學腔的線寬。
[0013]本發(fā)明提供的一種測量光學腔線寬的裝置，包括光學腔、單頻激光器、單頻可調(diào)諧激光器、光電探測器、頻譜分析儀；所述的單頻可調(diào)諧激光器的輸出光與單頻激光器的輸出光在第一光學分束器上合束，合束光經(jīng)第二光學分束器分為兩束光:旁路光束和透射光束；所述的旁路光束繞開光學腔直接輸入光電探測器；所述的透射光束導入光學腔，將光學腔的輸出信號導入光電探測器中；所述的頻譜分析儀與光電探測器連接，在測量單頻可調(diào)諧激光器和單頻激光器的拍頻信號時，它們放置在旁路光束的光路中，在測量單頻可調(diào)諧激光器和單頻激光器的輸出光透過光學腔后的拍頻信號時，它們放置在透射光束的光路中；所述的單頻激光器輸出光的頻率在單頻可調(diào)諧激光器的調(diào)諧范圍內(nèi)。
[0014]光學腔作為本發(fā)明測量線寬的測量對象。單頻激光器用來產(chǎn)生波長確定的激光輸出。單頻可調(diào)諧激光器用來產(chǎn)生波長可調(diào)諧的激光輸出。光電探測器用來探測兩臺激光器的拍頻信號，光電探測器的輸出與頻譜分析儀連接，用來顯示、讀出拍頻信號的頻率和對應的噪聲功率。在我們的裝置中，光電探測器和頻譜分析儀首先放置在旁路光束的光路中，用來確定測量拍頻信號的頻率范圍。將頻譜分析儀設置為max-hold模式，改變單頻可調(diào)諧激光器的波長，每一個波長對應一個拍頻頻率和噪聲功率，當一段頻率范圍內(nèi)的噪聲功率相等時，表明在這一頻率范圍內(nèi)的信號能真實反映光學腔的線寬。然后，將光電探測器和頻譜分析儀放置在透射光束的光路中，在上述確定的頻率范圍內(nèi)改變單頻可調(diào)諧激光器的波長，讀出這一頻率范圍內(nèi)各個頻率點與噪聲功率的對應關(guān)系。在裝置中，光電探測器和頻譜分析儀分時使用兩次分別測量旁路光束和透射光束，也可以用性能相同的另一組光電探測器和頻譜分析儀對旁路光束和透射光束信號進行同時測量。
[0015]所述的光學腔為兩鏡腔或其它多鏡腔。
[0016]基于上述裝置，本發(fā)明提供的一種測量光學腔線寬的方法，依次包括如下步驟:
[0017]I)、將單頻可調(diào)諧激光器與單頻激光器的輸出光在第一光學分束器上合束，并使兩束光在第一光學分束器后的光束參數(shù)相同、位置重合；
[0018]只有兩束光與光學腔的同一個本征橫模模式匹配，才能保證兩束光在光學腔內(nèi)有同樣的共振條件。即當單頻激光器發(fā)出的光與光學腔共振時，如果我們將單頻可調(diào)諧激光器的頻率調(diào)諧到與單頻激光器的頻率相等，單頻可調(diào)諧激光器發(fā)出的光也與光學腔共振。如果兩束光不重合，它們對應光學腔內(nèi)不同的橫模，不同橫模在光學腔內(nèi)的傳播路徑不同，對應不同的共振條件，這樣兩臺激光器發(fā)出的光波長相等，不能保證它們能在光學腔中滿足同時共振條件。
[0019]2)、用第二光學分束器將合束光分為兩束:旁路光束和透射光束；
[0020]旁路光束繞開光學腔直接輸入光電探測器，用來確定測量拍頻信號的頻率范圍。透射光束經(jīng)光學腔后導入光電探測器中，用來讀出經(jīng)光學腔后每個拍頻頻率點對應的最大噪聲功率。
[0021]3)、將旁路光束注入光電探測器中，光電探測器的輸出與頻譜分析儀相連，將頻譜分析儀設置為max-hold模式，改變單頻可調(diào)諧激光器的波長，選取頻譜分析儀噪聲功率相等的區(qū)間對應的頻率范圍作為測量拍頻的頻率范圍；
[0022]4)、調(diào)節(jié)透射光束與光學腔模式匹配，并將光學腔的腔長穩(wěn)定在單頻激光器的波長上;
[0023]調(diào)節(jié)合束光與光學腔模式匹配能提高共振點和非共振點信號的對比度，減小測量結(jié)果受腔內(nèi)其它模式的干擾，使各個頻率點與噪聲功率的對應關(guān)系和擬合公式更接近。
[0024]5)、將光電探測器放置在光學腔后的透射光束光路中，光電探測器的輸出與頻譜分析儀相連，將頻譜分析儀設置為max-hold模式，在步驟3)確定的頻率范圍內(nèi)改變單頻可調(diào)諧激光器的波長，讀出這一頻率范圍內(nèi)各個頻率點與噪聲功率的對應關(guān)系；
[0025]6)、用如下公式擬合步驟5)獲得的頻率和噪聲功率的對應關(guān)系
[0026]

【權(quán)利要求】
1.一種測量光學腔線寬的裝置，其特征在于，包括光學腔(I)、單頻激光器(2)、單頻可調(diào)諧激光器(3)、光電探測器(4)、頻譜分析儀(5);所述的單頻可調(diào)諧激光器(3)的輸出光與單頻激光器(2)的輸出光在第一光學分束器(6)上合束后,合束光經(jīng)第二光學分束器(7)分為兩束光:旁路光束(8)和透射光束(9);所述的旁路光束(8)繞開光學腔(I)直接輸入光電探測器⑷；所述的透射光束(9)導入光學腔(I)，經(jīng)光學腔⑴后的輸出信號導入光電探測器(4)中；所述的頻譜分析儀(5)與光電探測器(4)連接，在測量單頻可調(diào)諧激光器(3)和單頻激光器(2)的拍頻信號時，它們放置在旁路光束(8)的光路中，在測量單頻可調(diào)諧激光器⑶和單頻激光器⑵的輸出光透過光學腔⑴后的拍頻信號時，它們放置在透射光束(9)的光路中；所述的單頻激光器(2)輸出光的頻率在單頻可調(diào)諧激光器(3)的調(diào)諧范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種測量光學腔線寬的裝置，其特征在于，所述的光學腔(I)為兩鏡腔或其它多鏡腔。
3.一種測量光學腔線寬的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的裝置，依次包括如下步驟: 1)、將單頻可調(diào)諧激光器(3)與單頻激光器(2)的輸出光在第一光學分束器(6)上合束，并使兩束光在第一光學分束器(6)后的光束參數(shù)相同、位置重合； 2)、用第二光學分束器(7)將合束光分為兩束:旁路光束(8)和透射光束(9)； 3)、將旁路光束(8)注入光電探測器(4)中，光電探測器(4)的輸出與頻譜分析儀(5)相連，將頻譜分析儀(5)設置為max-hold模式，改變單頻可調(diào)諧激光器(3)的波長，選取頻譜分析儀(5)噪聲功率相等的區(qū)間對應的頻率范圍作為測量拍頻的頻率范圍； 4)、調(diào)節(jié)透射光束(9)與光學腔(I)模式匹配，并將光學腔(I)的腔長穩(wěn)定在單頻激光器⑵的波長上； 5)、將光電探測器(4)放置在光學腔(I)后的透射光束(9)光路中，光電探測器(4)的輸出與頻譜分析儀(5)相連，將頻譜分析儀(5)設置為max-hold模式，在步驟3)確定的頻率范圍內(nèi)改變單頻可調(diào)諧激光器(3)的波長，讀出這一頻率范圍內(nèi)各個頻率點與噪聲功率的對應關(guān)系； 6)、用如下公式擬合步驟5)獲得的頻率和噪聲功率的對應關(guān)系B桑聲!率=-

1+(4*頻率2/線寬2) 得到光學腔的線寬。
【文檔編號】G01M11/02GK104180972SQ201410452593
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】鄭耀輝, 李志秀, 彭堃墀 申請人:山西大學